SystemC and OO-Synthesis 30.03.2017 USB Arthur de Lima Padilha Augusto Cesar Benvenuto Júlio Gil F Freire Pedro Henrique Atanásio e Silva Tobias Oppold

Introdução

Introdução USB – Universal Serial Bus Lançado em 1996 Parceria de várias grandes empresas entre elas a IBM, Intel e Microsoft Concebida para criar um padrão de interface I/O com os periféricos

Introdução Barramento de 1 bit por canal Possui 4 fios 2 para dados e 2 para fornecer energia O USB 1.0 apresentava 2 modos de operação que trabalhavam a 1.5Mbits/s (Low Speed) e 12Mbits/s (Full Speed) Plug n Play

Introdução USB 2.0 lançado em 2000 Taxa de transferência bem mais alta, operando a 480Mbits/s (Hi-Speed) USB On-the-go Vários conectores e receptores Power Charger

Introdução USB 3.0 lançado em 2008 Taxa de transferência operando a 5Gbits/s (Super-Speed) Inclui 4 fios adicionais Maior potência fornecida Menor consumo de energia Retro compatível com USB 2.0

Design do projeto

Design O USB é controlado pelo Host Usa topologia de barramento estrela que pode apresentar várias camadas Limite de 127 dispositivos por controladora USB

Design

Design

Design Dispositivo físico apresenta um ou mais dispositivos lógicos Comunicação baseada em Pipes (canais lógicos) Comunicação 1-1 entre EndPoints Limite de 32 Endpoints por dispositivo (16 no host e 16 fora do host)

Design Existem 2 tipos de Pipes, Stream e Message que são utilizados dependendo do tipo de transferência. Isochronous transfers, Interrupt transfers, Bulk transfers e Control transfers Endpoint são endereçados por tuplas ( Endereço Dispositivo, Número do Endpoint )

Design Cada dispositivo USB contém um código para identificar sua funcionalidade Ex: Dispositivos de Áudio utilizam o código 01h enquanto impressoras 07h Serve no padrão Plug n Play, assim conseguindo carregamento automático dos drivers

Design pensado no usuário Aparência física

Aparência Física

Aparência Física O USB tem uma série de padronizações que facilitam o seu uso A logo sempre fica pra cima Tipos variados e bem definidos Energia sempre vai do tipo A para o tipo B

Aparência Física Tipo micro-USB Adotado pela GSMAssociation e a OMTP como porta padrão para carregar celulares Possibilitou equipamentos menores E mais resistente a desgastes (2x mais do que o mini e quase 10x mais do que USB normal)

Xbox HTC Apple Câmeras Digitais Aparência Física Padrões proprietários Protocolo USB nas memorias, mas usa 3,3V HTC USB + Áudio + Vídeo na mesma porta mini-USB com mais pinos Apple Conector de 30 pinos inclui 4 para o protocolo USB iPod Shuffle usa a porta P2 para a comunicação com o USB Câmeras Digitais

Propriedades do cabo

Propriedades do cabo Fios de dados são um par trançado para evitar ruídos e interferências Capa de alumínio e tranca metálica protegem os fios tanto de danos físicos quanto eletromagnéticos O Fio Dreno é ligado a armadura metálica no cabeçote do USB para evitar descarga de energia estática nos fios.

Propriedades do cabo USB 1.1 USB 2.0 USB 3.0 Dentro dos protocolos, os cabos tem tamanhos limitados USB 1.1 Low speed (1,5 Mbps): 3m Full speed (12 Mbps): 5m USB 2.0 Hi speed (480 Mbps): 5m USB 3.0 Não especificado Protocolos definem um round trip delay máximo de 15µs. Se o host não receber uma resposta, ele considera seu comando perdido O protocolo do USB 2.0 define que o atraso no cabo deve ser de no máximo 5,2ns por metro. Velocidade próxima da máxima alcançada num fio de cobre.

Energia

Low Power High Power 1.1 e 2.0 3.0 Energia USB fornece por padrão 5V na porta Vcc. Classes Low Power High Power Tolerância 1.1 e 2.0 High power: 4,75V – 5,25V Low power: 4,4V – 5,25V 3.0 4,45V – 5,25V

1.1 e 2.0 3.0 Energia Unit Load Low power: High power 100mA por unit load Máximo de 5 unit loads 3.0 150mA por unit load Máximo de 6 unit loads Low power: 1 unit load a 4,4V (4V no 3.0) High power

HUB Energia Todo dispositivo começa como low-power Depois da identificação, pode receber mais carga HUB Precisa de 1 unit load para ser configurado Depois de configurado, não consome mais Fornece para cada dispositivo um único unit load Se tiver alimentação externa, pode fornecer mais unit loads Dispositivos podem usar só a energia

Transmissão de dados

Transmissão de dados USB transmite os sinais em um par de fio trançado (D+ e D-) Até a versão 2.0, USB utilizava "half-duplex diferential signaling" para a redução dos efeitos de ruído eletromagnético USB 3.0 adiciona dois pares de fios trançados, permitindo taxas de transmissões elevadas e operação full-duplex

Upstream End Transceiver Downstream End Transceiver

NRZI – “Non-Return-to-Zero Inverted” USB envia dados utilizando NRZI Uma transição do nível lógico, significa que foi transmitido “0” Se não houver transição, o bit transmitido é “1”

Bit Stuffing Para garantir adequadas transições de sinais no receptor, USB utliza "bit stuffing", enviando um bit extra "0" quando ocorre "111111“ Isso faz com que a lógica do receptor faça uma transição ao menos uma vez a cada 7 envio de bits. Esse fato garante a disponibilidade dos dados com respeito ao clock Sete bits "1" consecutivos caracteriza um erro (dispositivo não está respondendo, por exemplo).

Modos de Transmissão Low Speed (USB 1.0) Full Speed (USB 1.0) USB suporta os seguintes modos de transmissão: Low Speed (USB 1.0) Full Speed (USB 1.0) High Speed (USB 2.x) Super Speed (USB 3.0)

Full Speed Mode Taxa de 12 Mbit/s (~1.43 MB/s) Modo de envio default definido pelo USB 1.0 Nível lógico "0": 0.0 a 0.3 V Nível lógico "1": 2.8 a 3.6 V

Low Speed Mode Taxa de 1.5 Mbit/s (~183 KB/s) Definido na primeira versão do USB, muito similar ao modo Full Speed, porém é 8 vezes mais lento. Projetado inicialmente para redução de custos em dispositivos de interface humana (HID), como teclados, mouses e joysticks.

Para verificar modo de operação de envio, receptor deve, basicamente, verificar qual dos fios está polarizado no modo “Idle”

High Speed Taxa de 480 Mbit/s (~57 MB/s) Introduzido em 2001, com USB 2.0 Dispositivos são capazes de operar no modo Full Speed, se necessário. Sendo assim compatíveis com USB 1.x (Conectores idênticos) Nível lógico "0": -10 a 10mV Nível lógico "1": 360 a 440mV

Super Speed Taxa de 5.0 Gbit/s (~596 MB/s) Especificação produzida pela Intel e parceiros em Agosto de 2008. O primeiro controlador USB 3.0 foi demonstrado pela NEC (Nippon Electric Company) em Maio de 2009. Produtos já estão disponíveis desde Janeiro de 2010. Total compatibilidade com os outros modos.

Taxas de Transmissões Comerciais Taxa máxima teórica de 480 MBit/s por controlador USB 2.0 é compartilhada por todos os dispositivos conectados a ele. Alguns fabricantes de "chipsets" superam esse gargalo oferecendo múltiplos controladores USB 2.0 dentro do “southbridge”

Taxas de Transmissões Comerciais De acordo com testes feitos pela CNET (Centre National d'Études des Télécommunications) com discos utilizando USB 2.0 (modo HS), taxa de transmissões não são capazes de superar 70% da capacidade teórica. Para dispositivos isócronos como streams de áudio, a largura de banda é constante, e reservada exclusivamente para um determinado dispositivo. Nesse caso, a largura do barramento, só tem um efeito sobre o número de canais que podem ser enviados de uma vez, e não sobre a velocidade ou latência da transmissão.

Comunicação

Comunicação O protocolo de comunicação do USB é realizado a partir de pacotes Cada pacote é formado por campos, que podem ou não possuir tamanho fixo Por esse motivo, todos os pacotes tem possuem seus próprios delimitadores ("Start-End of Packet") Tamanhos variaveis implicam em start e end packet

Packet fields Sync Field PID Field Address Fields Data Field Os principais campos dos pacotes são: Sync Field PID Field Address Fields Data Field

PACOTE Comunicação “00000001” “00000000 00000000 00000000 00000001” 2º) Campo de Identificação Campo identificador do pacote vem logo após o campo de sincronização. Consiste em 4 bits, seguidos pelos seus complementares, servindo de um mecanismo para detecção de erro de PID 4º) Campo de Dados Pode possuir no máximo 1024 bytes Tamanho variável com o tipo de transferência: controle, interrupção, streaming, etc. 1º) Campo de Sincronização 8 bits para o modo Low-Full Speed “00000001” 32 bits para o modo High Speed “00000000 00000000 00000000 00000001” 3º) Campo de Endereçamento Address Field: 7 bits que representam o endereço do dispositivo. Endpoint Field: 4 bits que endereçam quando mais de um endpoint é requerido. PACOTE

Sync Field Primeiro campo do pacote Consiste numa sequencia de dados utilizada pelo circuito receptor, a fim de que este se prepare para a recepção dos dados conforme o clock local 8 bits para o modo Low-Full Speed “00000001” 32 bits para o modo High Speed “00000000 00000000 00000000 00000001”

PID Field Campo identificador do pacote vem logo após o campo de sincronização. Consiste em 4 bits, seguidos pelos seus complementares, servindo de um mecanismo para detecção de erro de PID PID indica o tipo do pacote, e por inferência o formato do pacote e o tipo de detecção de erro é utilizado.

Address Fields Para identificar um dispositivo, são necesários dois campos: Address Field: 7 bits que representam o endereço do dispositivo. Endpoint Field: 4 bits que endereçam quando mais de um endpoint é requerido.

Data Field Pode possuir no máximo 1024 bytes Tamanho variável com o tipo de transferência: controle, interrupção, streaming, etc.

Tipos de Pacotes Handshke Token Data Start of Frame

Tipos de Pacotes Os pacotes, em si, são de quatro tipos básicos, cada qual com seu formato e CRC (Cyclic Redundancy Check): Handshake Packets Token Packets Data Packets Start of Frame Packets Handshake inicio do protocolo

Handshake Packets Consistem simplesmente de um PID Utilizados para reportar status das transações de dados. Comanda a aceitação ou não de transações e controle sobre as condições necessárias elas ocorram.

Token Packets Consistem de um PID, Address Field, Endpoint Field e um CRC de 5 bits. Principais PIDs são: IN, OUT, SETUP, que servem para iniciar controle e/ou transmissão de dados.

Data Packets Consistem de um PID seguido por até 1024 bytes e um CRC de 16 bits. Dados sempre devem ser enviados em números inteiros de bytes.

Start of Frame Packets Para completar uma mensagem, pacotes são agrupados em frames. Tais pacotes identificam os frames. Consistem de um PID, seguido de um Frame Number e do CRC de 5 bits. No modo Full Speed, tais pacotes são enviados a cada 1ms, para auxiliar na sincronização. Já no modo High Speed, são enviados a cada 125us (8 pacotes a cada 1 ms).

Wireless USB

Motivação Principalmente diminuir a quantidade de fios em torno do PC. - Impressoras - Mouses - Teclados - Caixas de Som Até 9 metros de raio. Caixas de Som falar na melhora da acustica que provocará. Impressoras podem ser postas em estantes que não ocupará espaco onde fica o PC

Cenário de Utilização

Mudanças no Protocolo Comunicação confiável Detecção e correção de erros robusta Detecção de conexão e desconexão de dispositivos Usa timeout para detecção de pacotes perdidos Controle de Fluxo, bufferização e retentativas.

Dados Encriptados Chaves Segurança dos Dados Dados Encriptados Chaves Dados não Encriptados

Comunicação

Comunicação O protocolo de comunicação do USB é realizado a partir de pacotes Cada pacote é formado por campos, que podem ou não possuir tamanho fixo Por esse motivo, todos os pacotes tem possuem seus próprios delimitadores ("Start-End of Packet")

Packet fields Sync Field PID Field Address Fields Data Field Os principais campos dos pacotes são: Sync Field PID Field Address Fields Data Field

Sync Field Primeiro campo do pacote Consiste numa sequencia de dados utilizada pelo circuito receptor, a fim de que este se prepare para a recepção dos dados conforme o clock local 8 bits para o modo Low-Full Speed “00000001” 32 bits para o modo High Speed “00000000 00000000 00000000 00000001”

PID Field Campo identificador do pacote vem logo após o campo de sincronização. Consiste em 4 bits, seguidos pelos seus complementares, servindo de um mecanismo para detecção de erro de PID PID indica o tipo do pacote, e por inferência o formato do pacote e o tipo de detecção de erro é utilizado.

Address Fields Para identificar um dispositivo, são necesários dois campos: Address Field: 7 bits que representam o endereço do dispositivo. Endpoint Field: 4 bits que endereçam quando mais de um endpoint é requerido.

Data Field Pode possuir no máximo 1024 bytes Tamanho variável com o tipo de transferência: controle, interrupção, streaming, etc.

Tipos de Pacotes Os pacotes, em si, são de quatro tipos básicos, cada qual com seu formato e CRC (Cyclic Redundancy Check): Handshake Packets Token Packets Data Packets Start of Frame Packets

Handshake Packets Consistem simplesmente de um PID Utilizados para reportar status das transações de dados. Comanda a aceitação ou não de transações e controle sobre as condições necessárias elas ocorram.

Token Packets Consistem de um PID, Address Field, Endpoint Field e um CRC de 5 bits. Principais PIDs são: IN, OUT, SETUP, que servem para iniciar controle e/ou transmissão de dados.

Data Packets Consistem de um PID seguido por até 1024 bytes e um CRC de 16 bits. Dados sempre devem ser enviados em números inteiros de bytes.

Start of Frame Packets Para completar uma mensagem completa, pacotes são agrupados em frames. Tais pacotes identificam os frames. Consistem de um PID, seguido de um Frame Number e do CRC de 5 bits. No modo Full Speed, tais pacotes são enviados a cada 1ms, para auxiliar na sincronização. Já no modo High Speed, são enviados a cada 125us (8 pacotes a cada 1 ms).

Conclusão

Conclusão Então, por que é USB tão popular? Porque é barato, robusto, compacto e fácil de usar, oferecendo capacidades de desempenho que se adequam a uma ampla gama de tarefas. USB modificou o mercado em termos de plug-n-play e hot swapping, porque com um dispositivo USB conectado não há necessidade de desligar tudo ou se preocupar em instalar e configurar os dispositivos. Basta conectar o cabo USB para conectá-los, esperar até que tenham sido detectados e identificados, e começar a utilizá-los.

DÚVIDAS ?

Referencias

Referencias Usb.org "Mobile phones to adopt new, smaller USB connector" (PDF) (Press release). USB Implementers Forum. 2007-01-04. Retrieved 2007-01-08. http://www.faculty.iu-bremen.de/birk/lectures/PC101-2003/14usb/FINAL%20VERSION/usb_protocol.html http://www.usbmadesimple.co.uk/ums_3.htm http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/ http://c.mills.ctru.auckland.ac.nz/Electronics/USB/ http://www.usblyzer.com/usb-topology.htm http://en.wikipedia.org/wiki/USB